چکیده:
در این سمینار، جنبه های مختلف بهینه سازی توان برای یک مبدل آنالوگ به دیجیتال سریع و با دقت بالا برای رفع نیاز دستگاه های مخابراتی و ارتباطی قابل حمل انجام شده است. در ابتدا مروری بر انواع مبدل های آنالوگ به دیجیتال انجام گرفته و مزایا و معایب هر ساختار به اختصار بیان شده است. سپس اصطلاحات فنی (پارامترهای استاتیک و پارامترهای دینامیک) که در این زمینه به کار می روند، مورد بحث قرار گرفته است. در این سمینار به دلیل قابلیت های بسیار خوب و تعادل مناسبی که بین سرعت، دقت و توان مصرفی مبدل های خط لوله وجود دارد، از این مبدل ها استفاده شده است. بلوک های سازنده این مبدل ها با در نظر گرفتن جنبه های سرعت، دقت و توان مصرفی معرفی شده اند. روش های حذف آفست در مقایسه گرها و آپ امپ ها و همچنین روش های کالیبراسیون مبدل های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ و تصحیح خطای دیجیتالی بیان شده است. روش های بهینه سازی توان برای تقویت کننده ها که با توجه به آن ساختار و نوع تقویت کننده انتخاب می شود، معرفی شده اند. در مرحله بعد یک مقایسه گر دینامیکی با آفست کم بررسی شده است و با استفاده از نتایج شبیه سازی های مربوط به آن، توانمندی این مقایسه گر در برابر خازن های پارازیتی و سرگردان، خطاهای ولتاژ و خطاهای زمانبندی تجزیه و تحلیل شده است. تحلیل انواع نویز نیز انجام گرفته است و راه حلی برای بهینه سازی کل توان، که وابسته به اندازه خازن ها و قابلیت تفکیک در هر طبقه می باشد، ارائه شده است. یک نوع اشمیت تریگر CMOS جهت استفاده به عنوان پالس ساعت ورودی معرفی شده است که در آن، از اندازه معکوس کننده های فیدبک برای کنترل مستقل نقاط تریپ استفاده می شود. ضمنا این ساختار، حساسیت کمتری نسبت به تغییرات نامطلوب دارد، در برابر نویز پس زنی مصون است و تاخیر اضافی ایجاد نمی کند.
مقدمه:
مبدل خط لوله از چند طبقه تشکیل شده است که هر طبقه یک یا چند بیت خروجی را فراهم می کند. مفهوم این مبدل به این صورت است که طبقه اول از ورودی نمونه برداری می کند و آن را به دو بخش تبدیل می کند: یک بخش دیجیتال و دیگری سیگنال باقیمانده. سیگنال باقیمانده در هر طبقه، اختلاف بین سیگنال ورودی و بیت های دیجیتالی تبدیل یافته است. طبقه اول پس از انجام عمل تبدیل، آن را به طبقه بعدی می فرستد و از سیگنال بعدی نمونه برداری می کند. هر طبقه m بیت دیجیتالی تولید می کند و یک مبدل دیجیتال به آنالوگ ضرب کننده دارد که شامل یک DAC، تفریق کننده، تقویت کننده و مدار نمونه بردار و نگهدار است. نوعا MDAC متشکل از یک تقویت کننده با سرعت و بهره بالا به همراه تعدادی خازن و کلید است.
بنابراین در ابتدا با توجه به مشخصات سرعت و دقت مبدل، نیاز به طراحی یک تقویت کننده توان بهینه برای بلوک MDAC است. پس از تقویت کننده، مقایسه گر نقش مهمی در تلفات توان در مبدل خط لوله دارد. برای اینکه مقایسه گر آفست کمی داشته باشد، نیاز به مقدار مشخصی انرژی دارد. آفست کم مقایسه گر باعث افزایش توان سیگنال به نویز (SNR)، سوئینگ ورودی و قابلیت تفکیک می گردد. به منظور داشتن ولتاژ آفست کوچکتر در مقایسه گرها، از یک پیش تقویت کننده استفاده می شود. اشکال عمده این روش این است که توان بالایی به صورت ثابت توسط پیش تقویت کننده مصرف می شود. برای غلبه بر این مشکل از مقایسه گرهای دینامیکی که توان مصرفی بسیار کمتری دارند استفاده می شود. این مقایسه گرها در هر پالس ساعت یک مقایسه انجام می دهند.
مشکل عمده مقایسه گرهای دینامیکی، بالا بودن آفست در آن ها است که در مبدل های خط لوله توسط مدار تصحیح خطای دیجیتالی مرتفع می گردد. این کار به بهای افزایش توان مصرفی و کاهش نسبت سیگنال به نویز تمام می شود. بنابراین نیاز به طراحی یک مقایسه گر دینامیکی با آفست کم وجود دارد. پس از طراحی دو بخش عمده مبدل یعنی تقویت کننده و مقایسه گر، باید به سراغ بهینه سازی توان کل برای آن رفت، که با در نظر گرفتن توان مصرفی مورد نیاز هر بلوک و با توجه به تعداد بیت ها انجام می پذیرد. مقایسه ساختارهای مختلف آپ امپ نشان می دهد که ساختار بهینه تقویت کننده وابسته به بهره حلقه بسته مطلوب است.
در مبدل های خط لوله برای ساخت پالس ساعت تمیز از اشمیت تریگر استفاده می شود، زیرا اشمیت تریگر نویز را فیلتر نموده و یک سیگنال دیجیتالی تمیز به دست می دهد. یک روش ساخت اشمیت تریگر، استفاده از معکوس کننده های CMOS با فیدبک مثبت است (مانند لچ).
تعداد صفحه : 183
فهرست مطالب:
چکیده................................................................................................................................................................................. 1
مقدمه.................................................................................................................................................................................. 2
فصل اول: کلیات.............................................................................................................................. 3
1) هدف........................................................................................................................................................................ 4 -1
2) پیشینه تحقیق....................................................................................................................................................... 6 -1
3) روش کار و تحقیق................................................................................................................................................ 8 -1
فصل دوم: مروری بر مبدل های آنالوگ به دیجیتال...................................................................... 9
1 مقدمه..................................................................................................................................................................... 10 -2
2 مبدل های آنالوگ به دیجیتال سریع.............................................................................................................. 11 -2
1 مبدل های آنالوگ به دیجیتال فلش یا موازی......................................................................... 12 -2 -2
2 مبدل های فلش دو مرحله ای..................................................................................................... 15 -2 -2
3 مبدل های آنالوگ به دیجیتال خط لوله................................................................................... 17 -2 -2
1-3 بررسی دقت در مبدل خط لوله.............................................................................. 22 -2 -2
4 مبدل های آنالوگ به دیجیتال تاکننده.................................................................................... 25 -2 -2
5 مبدل های آنالوگ به دیجیتال درونیاب.................................................................................... 29 -2 -2
6 مبدل های تاکننده و درونیاب..................................................................................................... 32 -2 -2
7 مبدل آنالوگ به دیجیتال با جایگذاری زمانی........................................................................... 35 -2 -2
8 مبدل آنالوگ به دیجیتال با تقریب متوالی................................................................................ 36 -2 -2
1-8 مبدل تقریب متوالی با توزیع مجدد بار................................................................. 38 -2 -2
3 سایر مبدل های آنالوگ به دیجیتال................................................................................................................ 39 -2
ز
1 مبدل آنالوگ به دیجیتال انتگرالگیر........................................................................................... 39 -3 -2
1-1 ساختار تک شیبه....................................................................................................... 39 -3 -2
2-1 ساختار دو شیبه......................................................................................................... 41 -3 -2
2 مبدل آنالوگ به دیجیتال سیگما- دلتا...................................................................................... 42 -3 -2
4 اصطلاحات فنی مبدل های آنالوگ به دیجیتال........................................................................................... 44 -2
1 مقدمه................................................................................................................................................ 44 -4 -2
2 پارامترهای استاتیک....................................................................................................................... 44 -4 -2
1-2 خطای آفست.............................................................................................................. 44 -4 -2
2-2 خطای بهره.................................................................................................................. 45 -4 -2
4-2 غیرخطی بودن انتگرالی............................................................................................ 45 -4 -2
6-2 غیرخطی بودن دیفرانسیلی...................................................................................... 47 -4 -2
3 پارامترهای دینامیکی..................................................................................................................... 48 -4 -2
1-3 کل اعوجاج هارمونیکی............................................................................................. 48 -4 -2
2-3 نسبت سیگنال به نویز............................................................................................... 48 -4 -2
3-3 نسبت سیگنال به نویز و اعوجاج............................................................................. 49 -4 -2
4-3 محدوده دینامیکی..................................................................................................... 50 -4 -2
5-3 محدوده دینامیکی صحیح........................................................................................ 51 -4 -2
6-3 زمان نشست................................................................................................................ 51 -4 -2
7-3 ناهماهنگی................................................................................................................... 51 -4 -2
فصل سوم: بلوک های سازنده مبدل های آنالوگ به دیجیتال خط لوله..................................... 53
54........................................................................................................... (S/H 1 مدار نمونه بردار و نگهدار (مدار -3
2 مدارهای خازن سوییچ شونده........................................................................................................................... 61 -3
ح
3 ساختارهای مبتنی بر جریان............................................................................................................................. 66 -3
4 آپ امپ.................................................................................................................................................................. 68 -3
1 آپ امپ های دو طبقه................................................................................................................... 68 -4 -3
2 آپ امپ های کسکود..................................................................................................................... 69 -4 -3
3 روش های افزایش بهره.................................................................................................................. 71 -4 -3
4 معیارهای طراحی آپ امپ............................................................................................................ 72 -4 -3
73......................................................................................................................DC 1-4 بهره -4 -3
2-4 زمان نشست................................................................................................................ 73 -4 -3
3-4 حاشیه فاز.................................................................................................................... 74 -4 -3
5 مقایسه گرها.......................................................................................................................................................... 74 -3
های سریع و با دقت ADC 1 طراحی مقایسه گر دینامیکی با آفست کم و دقت بالا برای -5 -3
بالا..................................................................................................................................................................................... 77
2 مقایسه گر دینامیکی پیشنهادی.................................................................................................. 80 -5 -3
6 اشمیت تریگر........................................................................................................................................................ 82 -3
86.................................................................................... (MDAC) 7 مبدل دیجیتال به آنالوگ ضرب کننده -3
89......................................................................................................................................................... sub-ADC 8 -3
9 مولد ساعت و بافر ساعت.................................................................................................................................... 93 -3
10 ولتاژهای مرجع.................................................................................................................................................. 95 -3
11 بافر مرجع............................................................................................................................................................ 96 -3
97...................................................................................................................................................... MOS 12 کلید -3
فصل چهارم: روش های بهبود سرعت، توان و دقت در مبدل های آنالوگ به دیجیتال خط
لوله................................................................................................................................................ 100
ط
خط لوله............................................................................. 101 A/D 1 روش های کاهش توان در مبدل های -4
1 روش به اشتراک گذاری آپ امپ.............................................................................................. 101 -1 -4
2 روش آپ امپ سوییچ شونده..................................................................................................... 102 -1 -4
2 روش های افزایش دقت................................................................................................................................... 104 -4
1 روش نمونه برداری دوبل با شیفت زمانی............................................................................... 106 -2 -4
2 حذف آفست در مقایسه گرها.................................................................................................... 109 -2 -4
1-2 ذخیره سازی آفست ورودی.................................................................................. 110 -2 -4
2-2 ذخیره سازی آفست خروجی................................................................................ 110 -2 -4
3-2 ذخیره سازی آفست چند طبقه........................................................................... 111 -2 -4
4-2 کاربرد لچ با آفست حذف شده در مقایسه گرها............................................... 114 -2 -4
3 حذف آفست در آپ امپ ها....................................................................................................... 114 -2 -4
4 روش های کالیبراسیون.............................................................................................................. 117 -2 -4
1-4 روش های کالیبراسیون مبدل های دیجیتال به آنالوگ ............................... 117 -2 -4
های خازنی.............................................................................. 117 DAC1-1-4 -2 -4
های جریانی................................................... 118 DAC 2-1-4 کالیبراسیون -2 -4
2-4 روش های کالیبراسیون مبدل های آنالوگ به دیجیتال................................. 121 -2 -4
1-2-4 میانگین گیری از خطای خازن........................................................ 121 -2 -4
2-2-4 روش اصلاح خازن ها......................................................................... 124 -2 -4
3-4 کالیبراسیون دیجیتالی........................................................................................... 125 -2 -4
3 تحلیل نویز.......................................................................................................................................................... 127 -4
1 نویز چندی کردن......................................................................................................................... 127 -3 -4
2 نویز حرارتی................................................................................................................................... 127 -3 -4
ی
3 نویز فلیکر....................................................................................................................................... 128 -3 -4
4 نویز حرارتی آپ امپ سیگنال باقیمانده.................................................................................. 128 -3 -4
C 5 نویز -3 -4
kT 129........................................................................................................................................
4 وابستگی توان در تقویت کننده های فیدبک دار به ساختار آپ امپ.................................................... 131 -4
132..........................................................................................( 1 تقویت کننده یک طبقه (حالت 1 -4 -4
138......................................................( 2 تقویت کننده دو طبقه با جبرانسازی میلری (حالت 2 -4 -4
1-2 روش های بهبود بهره............................................................................................. 143 -4 -4
2-2 روش کاهش توان.................................................................................................... 143 -4 -4
144..................................( 3 تقویت کننده دو طبقه با جبرانسازی مقاومتی و میلری (حالت 3 -4 -4
4 تقویت کننده های حلقه بسته.................................................................................................. 149 -4 -4
5 تصحیح خطای دیجیتالی................................................................................................................................ 150 -4
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات...................................................................................... 154
نتیجه گیری................................................................................................................................................................. 155
پیشنهادات................................................................................................................................................................... 157
منابع و ماخذ............................................................................................................................................................... 158
فهرست منابع فارسی................................................................................................................................................. 158
فهرست منابع لاتین................................................................................................................................................... 159
سایت های اطلاع رسانی........................................................................................................................................... 162
چکیده انگلیسی
سمینار ارشد برق مبدل های آنالوگ به دیجیتال کم توان، سریع و با دقت بالا
